某型民用飞机使用冷却方案降低机身内燃油箱可燃性的研究

岳鹏

【摘 要】本文对民机降低燃油箱可燃性背景进行了介绍，提出了使用换热器利用冲压空气冷却机身内油箱燃油的冷却方案，并对冷却方案对机身内油箱油温冷却效果进行分析，进而经过可燃性分析，使用冷却方案可以有效降低机身内油箱可燃性暴露率，为民机机身内油箱降低可燃性提供了新的思路。

【关键词】民用飞机;可燃性;研究

中图分类号： V228.11文献标识码： A文章编号： 2095-2457（2019）15-0008-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.15.004

0 背景

燃油箱安全对民机飞行安全至关重要。1960年以来全球范围内发生了多起民机燃油箱爆炸事故，造成了数百人遇难，损失重大。FAA调查发现燃油箱爆炸的主要是油箱内点火源点燃燃油蒸气造成的。FAA颁布了FAR25部第102修正案和第125修正案，对民机燃油箱可燃性提出了量化指标要求，要求燃油箱的机队平均可燃性暴露不超过3%或等效的非加热铝制机翼油箱可燃性水平。

1 燃油箱可燃性的评估方法

适航条款规定机队平均可燃性暴露率的符合性评估使用Monte-Carlo分析方法。

Monte Carlo模型方法，是FAA发展的定量评估燃油箱可燃性的一種分析方法。Monte-Carlo本身是一种统计学的计算方法，应用到计算燃油箱的可燃性暴露率中，能够较好地去对飞机飞行的安全性进行定量的评估。Monte Carlo分析的主要内容有：

（a）基于仿真计算软件搭建燃油箱热模型;

（b）通过飞行试验获得燃油箱温度数据对燃油箱热模型进行验证，并表明可满足AC25.981-2A规定的油温仿真精度要求;

（c）将燃油箱热模型输出的燃油箱热参数作为Monte Carlo模型的输入数据;按照用户手册要求对模型输入参数进行设置并进行计算。

2 燃油冷却方案和原理

燃油冷却方案的对象是位于机身内的油箱。铝质机翼油箱上下壁板与外界大气直接进行热交换，油箱内燃油温度较低，油箱可燃性暴露率较低。机身内燃油箱燃油温度较高，飞行过程中油箱长时间处于可燃状态，可燃性暴露率高。对于机身内燃油箱，燃油冷却方案的原理就是通过降低其燃油温度，使燃油箱状态处于可燃性区域的时间，达到降低燃油可燃性的目的。不同类型燃油箱可燃性区域如图1所示。

3 某民机燃油冷却方案及.燃油箱可燃性分析

3.1 燃油冷却方案

以某型民机为例研究冷却方案对机身内油箱可燃性的影响。某型民机燃油箱布置如图2所示。机翼为全铝结构机翼。以翼根处肋板为界，油箱分为机翼油箱和机身内油箱。机翼油箱为传统非加热铝制机翼油箱，外翼部分燃油在飞行过程可以被外界高速气流很好的冷却，可燃性较低。机身内油箱散热相对慢，燃油温度较高，可燃性较高。

对该型民机，为了降低其机身内油箱可燃性，进行了燃油冷却方法的方案设计。冷却方案原理如图3所示，其核心部件为换热器，使用由NACA通气口进入的冲压空气作为冷源，利用燃油泵将机身内油箱泵出，经换热器冷却后返回机身内油箱。这样机身内油箱中燃油温度保持较低水平。

3.2 燃油箱热模型

使用商用软件VisSim（v8.0）建立了该型飞机燃油箱热模型，热模型的主要输入有：初始燃油温度、初始外界温度、初始外界压力、马赫数、初始燃油量、飞行包线、燃油特性（密度、比热容）和热交换器的输出温度、热交换器流动率、开/关条件等。热模型中间计算变量有：压力、温度、黏度、当地声速、流速、热交换效率、空气温度和绝热壁温度Taw等。热模型主要输出有燃油温度包线、Tau值和ΔT值。

使用燃油箱热模型对机身内燃油温度进行分析，将分析结果与飞行试验数据对比，两者基本一致。机翼油箱热天长航程热模型分析结果与飞行试验数据对比如图4所示。结果显示热模型仿真精度满足AC25.981-2A规定。

为了研究冷却系统的降温效果，将加装冷却系统构型燃油箱热模型分析得到的热天短航程工况机身内燃油箱燃油温度与原机试飞试验得到的数据进行进行对比，见图5。飞机在地面起飞前由于冷却系统没有冷源起不到对油箱降温的作用，飞机起飞后在冷却系统工作时，机身内燃油箱的燃油温度显著地降低。

3.3 可燃性分析

燃油箱热模型输出的油箱热特性参数Tau值和？T值作为蒙特卡洛分析的输入，使用FAA蒙特卡洛分析模型，分析飞机机身内油箱可燃性，未使用冷却方案与使用冷却方案后机身内油箱可燃性暴露率值如表1。

表1 机身内油箱可燃性暴露率

由可燃性分析结果可知，使用冷却方案对机身内油箱燃油降温，可以有效地降低某民机机身内燃油箱可燃性暴露率。

【参考文献】

[1]DOT/FAA/AR-05/8.Fuel Tank Flammability Assessment Method Users Manual[S].May 2008.